风机用永磁同步电动机振动和噪声的分析

杨国龙，黄开胜，肖庆优，赖文海，蔡黎明，郑景东

(1.广东工业大学，广州510006;2.广东电网有限责任公司湛江供电局，湛江524000)

0 引 言

目前来看，关于三相永磁同步电机的噪声和振动深入的研究并不多，但是永磁同步电机的噪声和振动在一些特定场合却要求较高，如高档家用电器、电动汽车、医疗器械等。在日常生活中的所要用到的家用电器，比如电脑、电磁炉和微波炉等，这些电器都需要用到风机，因此，降低风机用永磁同步电动机振动和噪声是很有必要的。永磁同步电动机产生的噪声和振动主要包括:空气动力噪声、电磁噪声和振动以及机械噪声和振动，其中电动机的内部电磁力是造成永磁同步电动机的电磁噪声和振动主要因素，因其电磁转矩既会使电动机产生旋转运动也会使其定、转子发生形变，使电动机出现噪声及振动;机械振动和噪声主要是由轴承或电刷等机械摩擦引起的;空气动力噪声产生的噪声很小，一般可以忽略。所以永磁同步电机的噪声和振动主要由电磁振动和噪声引起的［1］。

永磁同步电动机是一种新型的高效特种电动机，然而前人对其振动和噪声特性的研究还不够完整。文献［2］阐述分数槽不平衡磁拉力的产生的原因及对电机振动和噪声的影响。文献［3］分析10极12 槽永磁同步电机影响其电磁振动和噪声的因素，有永磁体不同极弧系数组合、气隙长度、永磁体厚度。文献［4］通过分析永磁同步电动机在采用不同的槽极配合情况下对其振动与噪声的影响。

本文以一款风机用12 槽10 极永磁同步电动机存在较大振动和噪声为例，根据定、转子谐波相互作用产生的电磁力波原理，提出采用24 槽8 极的极槽配合，将原来的分数槽变为整数槽，不对称磁路变为对称磁路，减少气隙磁场的谐波分量，进而减少低阶径向力波。利用Maxwell 有限元分析软件对这两种槽极配合的电动机进行仿真验证，经过径向力波分析，结果表明:采用24 槽8 极的电动机确实能减少谐波含量并且使低阶力波均为0。因此，若要降低风机用永磁同步电动机的振动和噪声，可以通过将该款电动机的槽极配合改为24 槽8 极来实现。

1 永磁同步电动机径向力波分析原理

永磁同步电动机的电磁振动和噪声是造成其噪声和振动的主要因素，而永磁同步电动机电磁振动噪声的激振力可由气隙磁导及定、转子绕组的磁势确定［5］，因此，可以通过对定转子磁场来分析永磁同步电动机的径向电磁力所造成的影响。

1.1 分析永磁同步电动机的磁动势及磁场谐波

基于麦克斯韦定律得出永磁同步电动机单位面积气隙的径向电磁力瞬时值，可由下式表示:

式中:μ0，b(θ，t)分别为空气磁导率及气隙磁密值。

若对铁心磁阻的影响忽略不计，则电动机内部的气隙磁密值，可由下式表示:

式中:λ(θ，t)为气隙比磁导;f(θ，t)为气隙磁动势。

若永磁同步电动机的定子上有齿槽，而且转子结构为表贴式，则气隙比磁导可由下式近似表示:

式中:λl1，Λ0分别为定子开槽导致谐波比磁导周期分量，单位面积气隙磁导中恒定部分。

若永磁同步电动机以正弦波方式供电，则可由定子磁场基波磁动势、永磁体磁场谐波磁动势以及定子磁场谐波磁动势构成其定转子的磁动势，因此:

式中:ν 为定子磁场谐波极对数;μ 为转子磁场谐波极对数;ω0为定子磁场基波电流频率;f0(θ，t)为定子磁场基波磁动势;∑νFν(θ，t)为定子磁场谐波磁动势;∑μFμ(θ，t)为永磁体磁场谐波磁动势。

将式(3)、式(4)代入式(2)，并忽略不计周期分量λl1的影响得出:

把式(5)代入式(1)得:

可以忽略不计式(6)中第二部分振动阶数高的径向电磁力波，故电动机振动和噪声主要是由剩下的定子基波和定转子的各次谐波相互作用产生的低次力波而引起的。

1.2 计算永磁同步电动机的定子磁场谐波

(1)关于分数槽的永磁同步电动机定子气隙磁场的谐波极对数分析

表1 为12 槽10 极永磁同电动机定子绕组的连接顺序表，图1 为该电动机槽电势星形相量图。

表1 电枢绕组的连接(m=3，z=12，2p=10)

从图1 可以看出，3 相12 槽10 极永磁同步电动机的定子磁场中仅含有奇次极对数谐波，谐波的极对数:ν=1，5，7，11，13，17，19，…。

各次谐波的分数计算如下:

图1 电枢绕组的星形相量图

(2)关于整数槽的永磁同步电动机定子气隙磁场的谐波极对数分析

对于每极每相槽数为整数的永磁同步电动机，该电动机的定子磁场中仅含有奇数次谐波，其谐波的极对数:

式中:k=0，±1，±2，±3，…;p 为永磁同步电动机的极对数;m 是相数。

2 永磁同步电动机气隙磁场有限元分析

当永磁同步电动机在额定负载情况下，在额定负载时的定子磁场和空载时的永磁体磁场相互叠加形成电动机的气隙磁场，基于Maxwell 2D 分别建立12 槽10 极、24 槽8 极两款永磁同步电动机有限元模型，如图2 所示。

图2 电动机二维有限元模型

对电动机的振动和噪声进行分析时，通常电动机的基波是指波长等同于电枢周长2pτ 中的2 极波。在传统分析中，通常电动机的极对数为p 的基波等于2pτ/(2τ)=p 次谐波，而现称为电动机的基波即文中电动机的基波为p 次波，因此，基波除外的各次谐波的次数可按p 倍相应地增加。

2.1 额定负载时定子磁场的谐波分析

根据已经建立的有限元模型，重新设置磁钢材料，将其设为空气，同时在定子绕组中加载额定电流，利用有限元分析软件，首先得到仅电枢电流作用时整个电动机的磁力线分布图，如图3 所示，然后再通过软件获得在t =0.002s时定子磁场的气隙磁密波形，如图4 所示，进而对其进行傅里叶分解，如图5 所示，最后得出这两款电动机的谐波次数及幅值表，如表2 所示。

图3 定子磁场磁力线图

表2 定子磁场的谐波次数及幅值表

通过有限元分析软件对定子磁场进行谐波分析，在两种电动机的电枢绕组加载额定负载时，整数槽绕组的基波磁密大于分数槽的基波磁密，整数槽的谐波次数也明显小于分数槽的谐波次数，对改善电机的振动及噪声有一定的帮助。

2.2 空载永磁体谐波磁场(转子磁场)分析

根据已经建立的有限元模型，将定子绕组电流设为零，得到这两款电动机在静态磁场时转子磁场的气隙磁密波形及其傅立叶分解，如图6、图7 所示，进而得到这两款电动机谐波次数及幅值表，如表3 所示。

图4 t=0.002 s 时定子磁场波形图

图5 定子磁场傅里叶分解图

表3 转子空载磁场谐波次数及幅值

图6 12 槽10 极转子磁场波形及傅里叶分解图

图7 24 槽8 极转子磁场波形及傅里叶分解图

因为径向力波的幅值正比于气隙磁密的幅值，若气隙磁场的谐波次数保持不变，要减小径向电磁力波的幅值就可以通过降低磁场的正弦畸变率即降低谐波磁场的幅值。由表3 可知，除12 槽10 极的转子磁场中谐波极对数55(11 次谐波)的幅值较大和24 槽8 极的转子磁场中谐波极对数68(17 次谐波)的幅值较大外，其他次数谐波幅值较小。

3 不同槽极配合电动机的径向力波分析

通常引起电动机定子铁心产生不对称的弯曲变形量既与电磁力波次数四次方成反比，又正比于电磁力波幅值，故其电磁振动和噪声是由幅值相对较大的低次数电磁力波所产生的［6］，因此降低永磁电动机的电磁振动和噪声可以考虑通过提高电磁力波的次数从而避免出现4 次以下的电磁力波来实现。由于分数槽绕组电动机的定子、转子磁场中分布的谐波要比整数槽绕组电动机更密，使4 次以下的径向力波更容易形成，从而导致更大的振动和噪声。表4 为12 槽10 极径向力波次数表，表5 为24 槽8极径向力波次数表。

从表4、表5 中可以得出，12 槽10 极电动机中存在大量的2、4 次力波，24 槽8 极电动机的低阶力波均为0。由于在分析电动机振动和噪声时，可以忽略不计0 阶力波对电动机定子铁心造成的弯曲变形以及4 阶以上力波的影响，故在理论上采用24 槽8 极的槽极配合能够有效减少风机用永磁同步电动机振动和噪声。

表4 12 槽10 极径向力波次数表

表5 24 槽8 极径向力波次数表

4 结 语

本文为了降低永磁同步电动机的振动和噪声，以一款风机用的12 槽10 极永磁同步电动机存在较大振动和噪声为例，由永磁同步电动机径向力波分析原理得出，采用整数槽的电动机，其气隙磁场含谐波分量较少，因此，提出将该款电动机的槽极配合改为24 槽8 极。首先利用ANSYS/Maxwell 软件对这两种槽极配合的电动机分别进行建模、仿真，得到这两款电动机的空载永磁体磁场和额定负载时定子电枢磁场气隙磁密波形和其傅里叶分解图，并由此得出其谐波次数及幅值，最后进行径向力波分析，经过对比可得，24 槽8 极的电动机能减少谐波分量并使低阶力波均为0。本文为降低风机用永磁同步电动机的振动和噪声在理论上提供了较高的参考价值。

［1］ 杨浩东. 永磁同步电机电磁振动分析［D］. 杭州:浙江大学，2011.

［2］ 李志明.分数槽绕组永磁同步电机的理论与设计［D］. 天津:天津大学，2012.

［3］ 李俊武.小功率永磁同步电动机电磁振动与噪声研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009.

［4］ 宋志环，韩雪岩，陈丽香，等.不同极槽配合永磁同步电动机振动噪声分析［J］.微电机，2007，40(12):11 -14.

［5］ 王秀和.永磁电机［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［6］ 梁文毅.表贴式调速永磁同步电动机径向磁拉力分析［J］.微特电机，2011，39(5):27 -30.